TWI667498B - 光擴散部件及製造光擴散部件的方法 - Google Patents
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Abstract
揭露一種光擴散部件。該光擴散部件包括諸如玻璃之基材，該基材具有前側、與該前側間隔開的背側、以及設以接收光源的邊緣。該玻璃片包括至少一個散射層，該散射層具有複數個光散射中心，該等光散射中心蝕刻進入該玻璃片之該前側的至少一部分。該等散射中心具有隨著與邊緣相距之距離增加而增加的密度，且該等散射中心在尺寸上隨機地分佈，且小於約200μm。也揭露一種製造光擴散部件的方法，該方法包括：遮蔽諸如玻璃片之基材，以及蝕刻該基材，使得所得的多個散射中心之密度隨著與光源相距的距離增加而增加。
Description
此申請案主張美國臨時申請案62/067657之優先權，該美國臨時申請案於2014年10月23日提出申請，且該美國臨時申請案之內容以該案之整體透過參考形式併入本文。
本案揭露內容大體上關於一種製造光擴散部件的方法，且更詳言之，關於一種製造光導件之方法，該光導件用於透明或半透明顯示器中。
一般的透射式顯示器可包括均勻背光件所照明的液晶堆疊。透射式顯示器中的背光件是有內嵌式散射中心之光導件、光管理膜(諸如IDF(影像引導膜)與D-BEF(亮度增進膜))、以及擴散件(diffuser)所製成的集合體。這些光管理膜之組合的性能助於賦予背光組件在遍及其尺寸上有均勻的亮度。因為背光件隱藏在多個部件(包括交叉偏光片)之後，所以透射性背光件的構造更有容忍度。
任何LCD(液晶顯示器)系統的主結構為光導件，該光導件照明許多LCD單元。最常見且當前的實施方式是使用位於側面的LED光源將光注入光導件
中。光導件本身於底部表面嵌有散射中心。這些散射中心(無論是凹陷狀或突起狀)負責散射及再引導傳播通過光導件的光線。若散射中心或散射點沿著光導件週期性放置，則光萃取模式遵循指數型衰減，其中多數功率於一開始被萃取，隨著在光導件中維持可用之功率愈來愈少，而功率逐漸降低。為了維持遍及整個光導件有均勻的亮度，散射中心的分佈必須使得在功率高時(接近LED處)較少萃取散射中心可用，且在功率低時有更多的萃取散射中心可用。這樣的實施方式中，散射中心的尺寸經常維持恆定且界限分明(一般而言尺寸為數百微米至一毫米)，同時散射中心之間的距離從LED附近約300μm減少到一維梯度的相對末端處約30μm。
最近顯示器方面的趨勢是朝向透明與半透明之顯示器。用於透明或半透明顯示器的潛在用途包括醫院牆壁、大樓窗、數位看板、櫥窗廣告、與抬頭(head-up)顯示器。透明顯示器可激發依照需求的顯示概念，其中該顯示器將僅在你需要它時現身。
有別於透射式顯示器，在透明或半透明顯示器中，可呈現的唯一部件是半透明LCD堆疊與光導件。於透明或半透明顯示器中，不再有擴散件、光管理膜、或背反射件。此類顯示器可能需要相當小的光散射中心，以便可不被看見。這些光散射中心也可能需要隨機散佈，以盡量減少與LCD堆疊的干擾(摩爾紋)。
類似透射式顯示器，為了補償隨著光傳播通過光導件時觀察到的自然指數衰減，在透明或半透明顯示器的散射中心分佈中可能需要梯度，以容許均勻的光萃取。
本案揭露內容提供製造用於透明或半透明顯示器中的光擴散部件(或光導件)之方法。
本案揭露內容的一個實施例提供一種透過遮蔽與蝕刻製程生產光擴散部件(或光導件)的方法。該方法包括在基材的前側的至少一部分上產生多個散射中心之圖案，而生成用於顯示器中的光導件，該基材可以是玻璃片。該光導件可進一步包括邊緣。該邊緣可設以接收光源。該散射中心之圖案在接近該邊緣處有較低的散射中心密度，而隨著與該邊緣相距的距離增加而有較大的散射中心密度。該等散射中心可透過下述方式產生：沉積遮蔽材料於該前側上，以於該前側上產生遮罩；將該遮罩貼附於該前側；以及蝕刻該前側。該前側隨後可受清潔。
本案揭露內容的一個實施例中，散射中心的密度是透過控制該前側上的該遮罩之密度而控制。期望的散射中心密度可透過下述方式達成：於接近該邊緣處沉積較大量的遮蔽材料，且隨著與邊緣相距的距離增加而減少該遮蔽材料的量。
本案揭露內容的另一實施例中，散射中心之密度是透過下述方式控制：以一方式固化該遮蔽材料，以容許接近該邊緣處有減少的蝕刻，且容許隨著與邊緣相距的距離增加而有增加的蝕刻。
本案揭露內容的另一實施例提供一種玻璃光擴散部件，該玻璃光擴散部件包括：玻璃片，該玻璃片具有邊緣，設以接收光源；以及散射層，該散射層具有經蝕刻的複數個光散射中心，該等散射中心隨著與該邊緣相距的距離增加而有增加的密度，該等散射中心在尺寸上隨機分佈。
額外特徵與優點將會在隨後的詳細敘述中提出，且在某種程度上，對熟悉此技術之人士而言，由該敘述可易於明瞭該等額外特徵與優點，或是透過操作本文所述的實施例(包括隨後的詳細敘述、申請專利範圍、與附圖)而認識該等額外特徵與優點。
可知前述概括性敘述及以下詳細敘述僅為示範性，且是為了提供整體概念或框架，以使世人瞭解申請專利範圍之本質及特徵。在此納入所附圖式，以提供進一步之瞭解，並且該等圖式併入且構成此說明書的一部分。該等圖式繪示一或多個實施例，並與該敘述一起用於解釋各種實施例之原理及操作。
10‧‧‧方法
12-26‧‧‧方塊
第1圖是提出本案揭露內容之一個實施例的步驟之簡圖。
第2圖顯示散射中心蝕刻進入該表面的玻璃片。
第3圖是圖表，顯示本案揭露內容之光導件的效能，該效能是相較於商用光導件以及具均勻散射中心密度的光導件。
現在請更詳細地參閱此案技術之實施例，該等實施例之範例繪示於附圖中。如可能，則所有圖式中會使用相同的元件符號以指代相同或類似部件。
本案揭露內容提供用於製作光導件之遮蔽與蝕刻製程，該光導件用於透明或半透明顯示器。一些實施例中，本案揭露內容生成隨機的微米點陣列結構，該結構滿足透明或半透明顯示器中光導件的尺寸、隨機度、與輪廓分佈的需求。本文所述之光導件可由用於顯示器中的習知基材製成，諸如塑膠或玻璃。
用於光導件中的基材之大體結構如一片狀物，該片狀物具有：兩個彼此大略平行的主要平坦表面，本文描述為前側與背側；以及至少一個邊緣，大略與該兩個主要平坦表面正交且連接該兩個主要平坦表面。一些實施例中，基材在形狀上呈有四個邊緣的矩形。該邊緣可為平整(或平坦)，或可具有斜邊(bevel)或其他將其連接至該前側與背側的配置方式。
第1圖是提出本案揭露內容之一個實施例的步驟的簡圖。本案揭露內容的一些實施例中，第一步驟
可以是積層玻璃背側之步驟(方塊12)。玻璃背側經積層以保護背側隔離將提供玻璃前側期望散射中心圖案的製程。可使用在蝕刻製程中所用以保護表面且將不會被蝕刻的任何習知的積層體。背側與前側之用語並非指定最終產品中光導件的特定走向，而是僅用於使針對一側的討論有別於針對另一側之討論。
下一步驟可為清潔玻璃前側(方塊14)。本案揭露發明之一些實施例中，清潔步驟可包括以丙酮徹底擦拭玻璃前側、以異丙醇徹底擦拭、然後將玻璃***UV臭氧中達15分鐘，氧氣流為30psi，之後經歷五分鐘的冷卻循環。
下一步驟要求施加遮罩(方塊16)。該遮罩可由任何習知遮蔽材料製成，諸如(此為舉例)：有機或無機聚合物、光阻劑、金屬(銀、金、銅、鉻)、抗蝕刻劑的氧化物(二氧化矽)或氮化物(氮化矽)。
如前文所解釋，為了遍及整個光導件維持均勻亮度，散射中心分佈必須使得較少散射中心位在功率高處(接近LED)，且較多散射中心在功率低處變得可用。光導件中的光強度一般以非線性樣式降低。為了正確地解決強度的變化，設計遮罩以容許在最接近LED處對前側蝕刻較少，且根據與LED邊緣相距的距離逐漸地容許更多蝕刻。隨著與一或多個光源相距的距離增加，抵抗蝕刻的保護減少，使得會有更多的蝕刻發生，且於蝕刻步驟中將產生更多的散射中心，這在下文中描述。
散射中心分佈可為非線性或線性，但使得該分佈承擔及校正光導件中的光強度改變，且提供離開光導件之前面的大約相等的強度(±20%或更少、±15%或更少、±10%或更少，或±5%或更少)。
本案揭露內容之一些實施例中，遮罩可沉積於玻璃前側上以產生期望的散射中心輪廓分佈的負片。如前文所記載，當LED定位於光導件之僅只一個邊緣(或一側)時，光導件鄰近LED之玻璃前側將接收較大的保護，而光導件從LED移離之玻璃前側將接收較少的保護。然而，在LED定位於光導件之相對邊緣上的案例中，玻璃前側之中心區域會接收較少的抵抗蝕刻的保護。
於本案揭露內容之非限制性實施例中，遮罩可透過噴墨印表機施加，且該遮罩可以是墨水。噴墨印表機可施加如簡單位元映像檔所引導的圖案。第一實施例中，遮罩圖案可製作成連續墨水梯度，且墨水密度逐漸遠離邊緣而減少。在LED定位於光導件之相對側之處，墨水密度從濃稠變化成淡薄，然後逐漸增加回濃稠。如前文所記載，當遮蔽材料單獨指定蝕刻圖案時，印刷所需的最終結果之負片是相當重要的。蝕刻後，散射中心在接近邊緣處稀少，在朝向中心於墨水密度減少處變得更為頻繁出現。玻璃前側在墨水密度減少之處將會被蝕刻達更大的程度。
本案揭露內容的非限制性實施例中，遮罩可由噴墨印表機施加，且遮罩可為兩層墨水。第一光遮罩
圖案可製作成連續且無梯度。由隨機定位的墨水液滴製成的第二圖案可以沉積至第一遮罩上成一梯度。此特殊的兩層遮罩中，因為酸在缺乏額外液滴之處滲透得比較快，所以最終結構在形狀上與尺寸上會是隨機的，但在位置上並非隨機。
第三實施例中，遮罩可由緻密墨水材料製成，該材料有分佈的空隙開口。這些開口可為點狀或具其他任意形狀。開口的尺寸可維持恆定或有所變化。開口的位置可製作成隨機或非隨機，這取決於想要的光導件之用途。此特殊的實施例容許設計者符合特徵形狀、尺寸、與位置之特定目標。由於提供清楚的路徑給酸，所以受蝕刻的基材會具有若遮罩為隨機時才會是隨機的特徵。
噴墨施加墨水作為遮罩可為有利的，因為噴墨印刷技術已經開發、可調整規模、且成熟。噴墨印表機可容易控制所沉積的墨水的尺寸分佈以及橫向間距，從而控制所得的散射中心的尺寸分佈以及橫向間距。雖巨觀上噴墨印表機沉積的墨水液滴看起來均勻，但該墨水液滴是由隨機分佈於點中的許多較小的染料顆粒組成，而可提供最終產物有具期望尺寸的散射中心的隨機圖案，該期望尺寸是肉眼看不見的，即，小於約20μm。
噴墨印表機產生的圖案可用許多不同方式控制，該等方式諸如墨水覆蓋率、來回(pass)數目、墨水密度、墨水濃稠度(ink thickness)、墨水顏色、
固化溫度、噴嘴高度、與噴嘴速度。噴墨印表機可使遮罩連續或分立而有間隙點，這取決於需求。
下一步驟要求固化遮蔽材料(方塊18)。固化類型將由所用的遮蔽材料之類型指定。例如，紫外線固化是遮蔽與蝕刻製程之工業中所知，且可用於UV敏感性遮蔽材料。在墨水由噴墨印表機沉積的案例中，可利用UV固化。
固化步驟可經調控而使得遮蔽材料可固化不同量，這取決於與LED將放置的光導件邊緣相距的距離。可實施固化遮蔽材料，以容許鄰近邊緣處抵抗蝕刻的保護增加，且容許當與邊緣相距的距離增加時抵抗蝕刻的保護減少，這是由改變固化溫度而控制。換言之，可實施固化，而提供邊緣附近蝕刻減少，而當與邊緣相距的距離增加時蝕刻增加。這樣的實施例中，遮蔽材料可均勻地分佈於待經受蝕刻的前側之部分上，且所達成的蝕刻量可取決於遮蔽材料固化量。
下一步驟要求蝕刻玻璃前側(方塊20)。該蝕刻步驟將會依照由遮蔽材料提供給該表面的保護而蝕刻玻璃前側。如前文所解釋，較大的蝕刻會發生於較少遮蔽保護處，而較少的蝕刻會發生在有較大遮蔽保護處。同樣如前文所解釋，遮蔽保護可源自於遮蔽材料沉積的方式或遮蔽材料固化的方式。
本案揭露內容的一些實施例中，蝕刻可透過使用濕式化學蝕刻完成。濕式化學蝕刻製程是本技術領
域中已知，例如，蝕刻可由冰醋酸(GAA)與氟化銨(NH4F)之混合物構成。氟化銨可為40%的氟化銨(NH4F)之水混合液。GAA對NH4F之比例可從約9：1至約1：9(以體積計)。此蝕刻組成相對溫和，且不會腐蝕或損傷用於本案揭露之製程中的設備。
下一步驟可為移除蝕刻劑(方塊22)，例如，透過使用去離子水潤洗，之後為空氣乾燥之步驟(方塊24)。
下一步驟視情況任選地涉及藉由適合用於所用之遮蔽材料類型的習知方法移除任何殘留的過量遮蔽材料(如方塊26所示)。
最後，一旦蝕刻製程完成，可移除背側積層物。
界定光導件之透明度的一項因子為光導件的「混濁度(haze)」。此技術中，透射的混濁度界定成從入射光束方向散射超過2.5°的透射光的百分比。混濁度是蝕刻表面粗糙度的指標。粗糙度愈大，混濁度增加；粗糙度愈小，混濁度減少。一些非限制性的實施例中，對於透明顯示器而言，光導件可具有不超過約15%的混濁度；或不超過約14%；或不超過約10%。混濁度(與粗糙度)可由酸蝕刻中酸的濃度以及蝕刻時間所控制。較高的濃度與較長的蝕刻時間增加混濁度(與粗糙度)。
根據本案揭露內容使用30-5-30M(紫紅色)墨水密度梯度製備樣本光導件。樣本光導件是以GAA：
40%之NH4F水混合液為9：1的溶液蝕刻。所得的散射中心如第2圖所示為隨機。散射中心於尺寸上隨機分佈，且小於約200μm，且在光學上無法以肉眼見到。如可由第2圖所見，隨著與光源相距之距離，特徵之密度分佈從低至高至低變化。在此幾何結構上，光導件設計成從兩側照明。
本案揭露內容之樣本光導件是與商用平板電腦之光導件與均勻蝕刻、無梯度之光導件作比較。商用平板電腦之光導件包括恆定且界定清楚之散射中心，而散射中心之間的距離從接近LED處為大約300μm減少到以一維梯度之相對末端處為大約30μm。關於無梯度之均勻蝕刻的光導件，該光導件之散射中心在直徑上是大約200μm，且散射中心之間的距離從10μm至300μm隨機變化。
所有三個樣本是當偵測器以垂直方式掃過表面時從底部照明。第3圖總結偵測器捕捉到的偵測功率。如第3圖所示，均勻蝕刻的樣本(菱形數據點)顯示功率隨著進入樣本的距離逐漸衰減。商用背光件(三角形數據點)顯示非常均勻但非衰減的輸出。此類輸出於LCD背光應用上較佳。本案揭露內容之背光(方形數據點)顯示比商用平板電腦更為卓越之光萃取能力。
對於熟悉此技術之人士而言，能明瞭在不背離本文所述之態樣的精神與範疇的前提下可製作各種修飾與變化，該精神與範疇由所附之申請專利範圍所界定。
Claims (21)
- 一種生產光擴散部件的方法，包括下述步驟：於一基材的一第一表面的至少一部分上產生多個散射中心的一圖案；該基材進一步包括一邊緣，該邊緣設以接收一光源；該圖案於接近該邊緣處具有較小的散射中心密度，且隨著與該邊緣相距的距離增加，具有較大的散射中心密度，該產生步驟包括：於該第一表面上沉積一遮蔽材料，以於該第一表面上產生一遮罩；將該遮罩貼附於該第一表面；以及蝕刻該第一表面；其中該遮蔽材料是墨水，且其中該沉積之步驟包括：沉積具有一均勻密度的一第一層墨水，以及於該邊緣附近沉積具有一較大墨水密度的一第二層墨水，並且隨著與該邊緣相距的距離增加而減少該墨水之密度。
- 如請求項1所述之生產光擴散部件的方法，其中該基材是一玻璃片。
- 如請求項1所述之生產光擴散部件的方法，其中在該沉積步驟期間，墨水是透過一墨水噴嘴沉積，且於該沉積步驟期間所沉積的該第二層墨水之密度是透過改變墨水濃稠度(thickness)、改變墨水顏色、改變墨水噴嘴高度、或改變墨水噴嘴速度而控制。
- 如請求項1所述之生產光擴散部件的方法，其中該貼附步驟包括下述步驟：以一方式固化該遮蔽材料，該方式容許在該邊緣附近有減少的蝕刻，且容許隨著與該邊緣相距的距離增加而使蝕刻增加。
- 如請求項4所述之生產光擴散部件的方法，其中該固化是透過改變該固化溫度而受控制。
- 如請求項1所述之生產光擴散部件的方法，其中該蝕刻步驟包括：蝕刻該第一表面以產生散射中心之密度的梯度，且該邊緣附近的散射中心之密度減少，而隨著與該邊緣相距的距離增加，該散射中心之密度增加。
- 如請求項1所述之生產光擴散部件的方法，其中該蝕刻步驟是在一蝕刻浴中執行，該蝕刻浴包括冰醋酸(GAA)與氟化銨(NH4F)之一混合物。
- 如請求項7所述之生產光擴散部件的方法，其中該氟化銨(NH4F)是40%的氟化銨(NH4F)之水混合液。
- 如請求項8所述之生產光擴散部件的方法，其中該冰醋酸(GAA)對氟化銨(NH4F)之水混合液的體積比為約1比9至約9比1。
- 如請求項1所述之生產光擴散部件的方法，其中該玻璃片進一步包括一第二表面，該第二表面與該第一表面隔開，且該方法進一步包括：在該產生步驟前積層該第二表面，以及於該產生步驟之後清潔該第二表面。
- 如請求項1所述之生產光擴散部件的方法，進一步包括：在該產生之步驟之後清潔該第一表面。
- 一種生產光擴散部件的方法，包括：於一基材的一第一表面的至少一部分上產生多個散射中心的一圖案；該基材進一步包括一邊緣，該邊緣設以接收一光源；該圖案於接近該邊緣處具有較小的散射中心密度，且隨著與該邊緣相距的距離增加，具有較大的散射中心密度，該產生步驟包括：於該第一表面上沉積一遮蔽材料，以於該第一表面上產生一遮罩；將該遮罩貼附於該第一表面；以及蝕刻該第一表面；其中該貼附步驟包括：固化該遮蔽材料，而容許在該邊緣附近有減少的蝕刻，且容許隨著與該邊緣相距的距離增加而使蝕刻增加，且該固化是透過改變固化之溫度而控制。
- 如請求項12所述之生產光擴散部件的方法，其中該基材是一玻璃片。
- 如請求項12所述之生產光擴散部件的方法，其中該沉積步驟包括：於接近該邊緣處沉積較大密度的遮蔽材料，且隨著與該邊緣相距的距離增加，減少該遮蔽材料之密度。
- 如請求項12所述之生產光擴散部件的方法，其中該遮蔽材料是墨水。
- 如請求項15所述之生產光擴散部件的方法，其中該墨水是利用一噴墨印表機而沉積，該噴墨印表機沉積多個墨水液滴，該等墨水液滴包括尺寸上隨機分佈的小型染料顆粒。
- 如請求項15所述之生產光擴散部件的方法，其中於該沉積步驟期間，墨水是透過一墨水噴嘴沉積，且於該沉積步驟期間所沉積的墨水之密度是透過改變墨水濃稠度、改變墨水顏色、改變墨水噴嘴高度、或改變墨水噴嘴速度而控制。
- 如請求項12所述之生產光擴散部件的方法，其中該蝕刻步驟包括：蝕刻該前側第一表面以產生散射中心之密度的梯度，且該邊緣附近的散射中心之密度減少，而隨著與該邊緣相距的距離增加，該散射中心之密度增加。
- 如請求項12所述之生產光擴散部件的方法，其中該蝕刻步驟是在一蝕刻浴中執行，該蝕刻浴包括冰醋酸(GAA)與氟化銨(NH4F)之一混合物。
- 如請求項12所述之生產光擴散部件的方法，進一步包括：在該產生之步驟之後清潔該第一表面。
- 一種光擴散部件，包括：一玻璃片，具有一第一表面與一邊緣，該邊緣設以接收一光源；至少一個散射層，該散射層具有複數個光散射中心，該等光散射中心蝕刻進入該玻璃片之該第一表面的至少一部分，該等散射中心具有隨著與邊緣相距之距離增加而增加的密度，該等散射中心在尺寸上與位置上隨機地定位，且小於約200μm；以及小於或等於約15%的混濁度。
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